JP2014506017A - Strain balance laser diode - Google Patents

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Abstract

本開示の概念によれば、レーザの導波路層内におけるAlの使用が、光閉じ込め井戸(22;InGaN)と歪補償バリア(24;Al(In)GaN)とを備えているInGaN/Al(In)GaN導波路超構造(20)の形で表される、レーザダイオード導波路構成が意図されている。光閉じ込め井戸(22)の組成は、Al(In)GaN歪補償バリア(24)が存在していても強い光閉じ込めを実現しながら、励起放出を吸収しないように選択される。歪補償バリア(24)の組成は、Al(In)GaNの呈する引張歪みがInGaN光閉じ込め井戸(22)の圧縮歪みを補償し、ただし光閉じ込めを妨げることのないように選択される。According to the concept of the present disclosure, the use of Al in the waveguide layer of the laser is an InGaN / Al () comprising an optical confinement well (22; InGaN) and a strain compensation barrier (24; Al (In) GaN). A laser diode waveguide configuration represented in the form of an In) GaN waveguide superstructure (20) is contemplated. The composition of the optical confinement well (22) is selected so as to achieve strong optical confinement and not absorb the excitation emission even in the presence of the Al (In) GaN strain compensation barrier (24). The composition of the strain compensation barrier (24) is selected such that the tensile strain exhibited by Al (In) GaN compensates for the compressive strain of the InGaN optical confinement well (22), but does not interfere with optical confinement.

Description

関連出願の説明Explanation of related applications

本出願は、その内容が参照することにより本書に組み込まれる、2011年2月17日に出願された米国特許出願第13/029,723号の優先権の利益を米国特許法第120条の下で主張するものである。   This application claims the benefit of priority of US Patent Application No. 13 / 029,723, filed February 17, 2011, the contents of which are incorporated herein by reference, under 35 USC This is what we insist on.

本開示は半導体レーザに関し、特に、ミスフィット欠陥の形成を抑え、かつ導波路構造の活性領域において比較的高い光閉じ込めを達成する、光導波路構造に関する。本開示による半導体レーザは特に、例えば電気的に励起される緑色レーザダイオードによく適している。   The present disclosure relates to semiconductor lasers, and more particularly to an optical waveguide structure that suppresses the formation of misfit defects and achieves relatively high optical confinement in the active region of the waveguide structure. The semiconductor laser according to the present disclosure is particularly well suited for, for example, an electrically pumped green laser diode.

本発明者らは、特に活性領域がInGaN量子井戸から作製される場合、潜在的に光学利得がより大きくかつ均一性がより高いことから、III族窒化物化合物に基づく電気的に励起される緑色レーザダイオードの設計および製造に半極性基板を使用すると有利であることを認識していた。本発明者らは、半極性基板上に成長させたレーザダイオード構造に関しては、ミスフィット欠陥の形成が特に重大な問題であることも認識しており、というのもAlGaN層またはInGaN層の成長中に強い引張歪みおよび圧縮歪みが蓄積して、歪みが緩和したときにミスフィット転位の形成がもたらされるためである。このミスフィット転位によって、発光の効率や信頼性が不十分なものになり得る。   The inventors have found that the electrically excited green based on III-nitride compounds because of the potentially higher optical gain and higher uniformity, especially when the active region is made from InGaN quantum wells It has been recognized that it would be advantageous to use a semipolar substrate for laser diode design and manufacture. The present inventors have also recognized that the formation of misfit defects is a particularly serious problem for laser diode structures grown on semipolar substrates, since during the growth of AlGaN or InGaN layers. This is because a strong tensile strain and a compressive strain are accumulated, and misfit dislocations are formed when the strain is relaxed. Due to this misfit dislocation, the efficiency and reliability of light emission can be insufficient.

本発明者らは、レーザダイオードの導波路層内にAlが存在していることは一般的に望ましくないと考えられていることを認識しており、これはAlGaNやAlInGaNが、Alを含まないGaNやInGaNなどの類似の材料に比べて屈折率が低いと考えられているためである。そのため、Alをできる限り導波路コアに近づけないことが一般的な傾向である。それでもなお、本発明者らは、Al含有層はInGaN層に対して歪補償を実現しながらもInGaN層により提供される高屈折率を妨げないため、半導体レーザダイオードの導波路層にAlおよびInGaNを使用すると有利になり得ることを認識していた。これによれば、構造の結晶品質を高く維持しながら、光閉じ込めと光学利得が強化される。   The inventors have recognized that the presence of Al in the waveguide layer of a laser diode is generally considered undesirable, which is that AlGaN and AlInGaN do not contain Al. This is because the refractive index is considered to be lower than that of similar materials such as GaN and InGaN. For this reason, it is a general tendency that Al is not as close to the waveguide core as possible. Nonetheless, the inventors have found that Al and InGaN in the waveguide layer of a semiconductor laser diode because the Al-containing layer does not interfere with the high refractive index provided by the InGaN layer while achieving strain compensation for the InGaN layer. Recognized that using can be advantageous. This enhances optical confinement and optical gain while maintaining high crystal quality of the structure.

本開示の概念によれば、レーザの導波路層内におけるAlの使用が、1以上の光閉じ込め井戸(InGaN)と1以上の対応する歪補償バリア(Al(In)GaN)とを備えているInGaN/Al(In)GaN導波路超構造の形で表される、レーザダイオード導波路構成が意図されている。光閉じ込め井戸の組成は、Al(In)GaN歪補償バリアが存在していても強い光閉じ込めを実現しながら、励起放出を吸収しないように選択される。歪補償バリアの組成は、Al(In)GaNの呈する引張歪みがInGaN光閉じ込め井戸の圧縮歪みを補償し、ただし光閉じ込めを妨げることのないように選択される。   According to the concepts of the present disclosure, the use of Al in the laser waveguide layer comprises one or more optical confinement wells (InGaN) and one or more corresponding strain compensation barriers (Al (In) GaN). A laser diode waveguide configuration, represented in the form of an InGaN / Al (In) GaN waveguide superstructure, is contemplated. The composition of the optical confinement well is selected so as to achieve strong optical confinement and not absorb excitation emission even in the presence of an Al (In) GaN strain compensation barrier. The composition of the strain compensation barrier is selected such that the tensile strain exhibited by Al (In) GaN compensates for the compressive strain of the InGaN optical confinement well, but does not interfere with optical confinement.

本開示の一実施の形態によれば、半極性GaN基板と、活性領域と、導波路領域と、さらに上方および下方クラッド領域とを備えているレーザダイオードが提供される。導波路領域は少なくとも1つの導波路超構造を含み、この導波路超構造は、井戸厚さaの1以上のInyGa1-yN光閉じ込め井戸と、歪補償構造を画成するバリア層厚bの1以上の介在するAlxInzGa1-x-zN歪補償バリアとを備え、式中、x、y、およびzは、おおよそ、0.02≦x≦0.40、0.05≦y≦0.35、および0≦z≦0.10の関係となる。介在する歪補償バリアは、光閉じ込め井戸により導入される歪みを補償するのに十分なAlを含んでいる。複数の光閉じ込め井戸が採用される場合、井戸内のIn濃度および厚さは、各井戸で同じである必要はない。同様に、複数のバリア層が採用される場合、バリアのInおよびAlの濃度と厚さは、各バリア層で同じである必要はない。 According to an embodiment of the present disclosure, a laser diode is provided that includes a semipolar GaN substrate, an active region, a waveguide region, and upper and lower cladding regions. The waveguide region includes at least one waveguide superstructure, which includes one or more In y Ga 1-y N optical confinement wells with a well thickness a and a barrier layer that defines a strain compensation structure. And one or more intervening Al x In z Ga 1-xz N strain compensation barriers of thickness b, where x, y, and z are approximately 0.02 ≦ x ≦ 0.40, 0.05 ≦ y ≦ 0.35 and 0 ≦ z ≦ 0.10. The intervening strain compensation barrier contains sufficient Al to compensate for the strain introduced by the optical confinement well. When multiple optical confinement wells are employed, the In concentration and thickness within the wells need not be the same for each well. Similarly, when multiple barrier layers are employed, the barrier In and Al concentrations and thickness need not be the same for each barrier layer.

本開示の別の実施形態によれば、x、y、およびzが、おおよそ、0.02≦x≦0.40、0.15≦y≦0.35、および0<z≦0.10の関係となり、かつ介在する歪補償バリアが、光閉じ込め井戸により導入される歪みの大部分を補償するのに十分なAlを含んでいる。   According to another embodiment of the present disclosure, x, y, and z are approximately 0.02 ≦ x ≦ 0.40, 0.15 ≦ y ≦ 0.35, and 0 <z ≦ 0.10. The related and intervening strain compensation barrier contains enough Al to compensate for most of the strain introduced by the optical confinement well.

本開示のさらに別の実施形態によれば、光閉じ込め井戸が量子井戸を含み、かつ歪補償バリアが量子井戸バリア層を含む。   According to yet another embodiment of the present disclosure, the optical confinement well includes a quantum well and the strain compensation barrier includes a quantum well barrier layer.

本開示の特定の実施形態に関する以下の詳細な説明は、以下の図面と共に読むと最も良く理解でき、このとき同様の構造を同じ参照番号で示す。   The following detailed description of certain embodiments of the present disclosure is best understood when read in conjunction with the following drawings, where like structure is indicated with like reference numerals and in which:

本開示の一実施の形態による導波路領域を含んだレーザダイオード構造を簡略化して示した概略図Schematic diagram schematically illustrating a laser diode structure including a waveguide region according to an embodiment of the present disclosure. 本開示の特定の実施形態による導波路領域のバリアおよび井戸における夫々AlおよびInの濃度の間の関係を示したグラフGraph showing the relationship between the concentration of Al and In, respectively, in the barrier and well of the waveguide region according to certain embodiments of the present disclosure

図1に示したレーザダイオード100は、一般に本開示の一実施の形態によるレーザダイオードの代表的なものであり、半極性GaN基板10、活性領域15、夫々上方(p側)および下方(n側)導波路超構造20を備えた導波路領域、上方および下方クラッド領域30、さらに上方および下方コンタクト層40を備えている。半極性GaN基板10は半極性結晶成長面に沿って切断されたものであり、成長面は、光学利得が潜在的に高く、かつ基板上に成長されるInGaN量子井戸におけるインジウム組成の均一性が向上することから、有利であることを本発明者らは認識していた。本発明者らは、レーザダイオード構造に半極性の成長面を使用することによる固有の課題についても認識していた。具体的には、半極性の成長面上のレーザダイオード構造は、結晶格子のミスフィット欠陥の形成に非常に影響され易いものが多い。本開示は、1以上の歪みバランス導波路超構造20を有する導波路領域をレーザダイオード構造内で利用することにより、この設計の問題に対処する。本発明の概念は上方(p側)導波路超構造20を含まずに実行することができ、また多くの場合、典型的には歪みバランス超構造を活性領域15上で使用する必要はないため、本書において説明する歪みバランス光導波路超構造は下方導波路超構造20内でのみ採用されると意図されている。   A laser diode 100 shown in FIG. 1 is typically a laser diode according to an embodiment of the present disclosure, and includes a semipolar GaN substrate 10 and an active region 15, which are above (p side) and below (n side). ) A waveguide region with waveguide superstructure 20, upper and lower cladding regions 30, and upper and lower contact layers 40. The semipolar GaN substrate 10 is cut along the semipolar crystal growth surface, and the growth surface has a potentially high optical gain and the uniformity of the indium composition in the InGaN quantum well grown on the substrate. The inventors have recognized that this is advantageous because it improves. The inventors have also recognized the inherent challenges of using a semipolar growth surface in a laser diode structure. Specifically, many laser diode structures on a semipolar growth surface are very sensitive to the formation of crystal lattice misfit defects. The present disclosure addresses this design problem by utilizing a waveguide region having one or more strain-balanced waveguide superstructures 20 in a laser diode structure. The concept of the present invention can be implemented without including the upper (p-side) waveguide superstructure 20 and, in many cases, typically a strain balance superstructure need not be used on the active region 15. The strain balanced optical waveguide superstructure described herein is intended to be employed only within the lower waveguide superstructure 20.

図1は、本開示による導波路超構造を組み込んだ、ある特定のレーザダイオード100の全体構造の概略図を示したものである。本開示の導波路超構造を組み込んだ様々な代替のレーザ構成が考えられる。例えば本開示は、活性領域15、クラッド領域30、およびコンタクト層40に対して、様々な代替の構成を使用することが意図されている。レーザダイオード構造のクラッド層30は、GaN、AlGaN、AlInGaN、またはこれらのいくつかを組み合わせたものを含み得ると考えられており、また2つのクラッド層の材料組成は異なっていてもよいし、さらにクラッド層を横切って変化していてもよいと意図されている。同様に、活性領域15は様々な形を取ることができ、例えば活性多重量子井戸(MQW)を含み得る。   FIG. 1 shows a schematic diagram of the overall structure of a particular laser diode 100 incorporating a waveguide superstructure according to the present disclosure. Various alternative laser configurations are possible that incorporate the waveguide superstructure of the present disclosure. For example, the present disclosure contemplates using various alternative configurations for the active region 15, the cladding region 30, and the contact layer 40. It is believed that the cladding layer 30 of the laser diode structure may include GaN, AlGaN, AlInGaN, or some combination thereof, and the material composition of the two cladding layers may be different, It is contemplated that it may vary across the cladding layer. Similarly, the active region 15 can take a variety of forms, including, for example, an active multiple quantum well (MQW).

さらに、本開示によるレーザ構成は、例えばバッファ層、電子/ホールブロック層などの、図1に示されていない追加の層を典型的には組み込むことに留意されたい。各活性領域、導波路領域、さらに上方および下方クラッド領域は、導波路領域の上方および下方導波路超構造20が活性領域15からの光子の誘導放出を導き、さらにクラッド領域30が導波路領域の超構造20内での放出された光子の伝播を促進するように、半極性GaN基板10の半極性結晶成長面上に多重層のレーザダイオード100として形成される。   Furthermore, it should be noted that laser configurations according to the present disclosure typically incorporate additional layers not shown in FIG. 1, such as buffer layers, electron / hole blocking layers, and the like. In each active region, waveguide region, and further upper and lower cladding regions, the upper and lower waveguide superstructures 20 in the waveguide region lead to stimulated emission of photons from the active region 15, and the cladding region 30 further includes the waveguide region. A multi-layer laser diode 100 is formed on the semipolar crystal growth surface of the semipolar GaN substrate 10 to promote the propagation of the emitted photons in the superstructure 20.

その固有の構成に拘わらず、活性領域15は電気的または光学的に励起された光子を発振波長λCで誘導放出するように構成される。導波路超構造20は、発振波長λCよりも小さくかつ好適にはおおよそ10nm≦(λC−λW)≦60nmの関係になる、吸収端波長λWを画成するように設計される。いくつかの実施形態において、例えばターゲット歪補償が実質的に100%未満である場合、この波長の隔たりは60nmを超え得る。他の実施形態では、適切な波長の隔たりの範囲がより狭くなり、吸収端波長λWはおおよそ10nm≦(λC−λW)≦20nmの関係になる。いずれの場合でも、導波路超構造20のバンドギャップは励起光子エネルギーに比較的近くなるが、導波路超構造20は発振光を吸収しない。 Regardless of its inherent configuration, the active region 15 is configured to stimulate and emit electrically or optically excited photons at the oscillation wavelength λ C. The waveguide superstructure 20 is designed to define an absorption edge wavelength λ W that is smaller than the oscillation wavelength λ C and preferably approximately 10 nm ≦ (λ C −λ W ) ≦ 60 nm. In some embodiments, for example, if the target distortion compensation is substantially less than 100%, this wavelength separation may exceed 60 nm. In another embodiment, the appropriate wavelength separation range is narrower, and the absorption edge wavelength λ W is approximately 10 nm ≦ (λ C −λ W ) ≦ 20 nm. In any case, the band gap of the waveguide superstructure 20 is relatively close to the excitation photon energy, but the waveguide superstructure 20 does not absorb oscillation light.

導波路超構造20は周期的なものでもよいし、あるいは非周期的なものでもよく、すなわち光閉じ込め井戸22および歪補償バリアの各厚さが、超構造20に亘って一定でもよいし、または変化してもよいと意図されている。導波路超構造を受動MQW導波路層として構成してもよいとも考えられている。この場合、光閉じ込め井戸22はナノメートルスケールの量子井戸を含むことになり、歪補償バリア24は量子井戸バリア層を含むことになる。一例において、導波路超構造20が受動MQW導波路層として構成される場合、発光波長530nmの緑色レーザダイオードでは、受動QWの吸収端が確実に発振波長に十分近くなるよう、すなわち差が約20〜60nmとなるよう、受動MQW導波路層はその発光波長がおよそ510nmとなるように構成される。多くの実施形態において、受動MQW導波路層による光学利得の抑制を防ぐために、この波長差を確実に10nm以上とすることが好ましいであろう。発振波長λCがおよそ500nmからおよそ540nmの間である場合、吸収端波長λWはおよそ430nmからおよそ530nmの間でもよいと考えられる。 The waveguide superstructure 20 may be periodic or aperiodic, ie, the thickness of the optical confinement well 22 and the strain compensation barrier may be constant across the superstructure 20, or It is intended to change. It is also contemplated that the waveguide superstructure may be configured as a passive MQW waveguide layer. In this case, the optical confinement well 22 includes a nanometer-scale quantum well, and the strain compensation barrier 24 includes a quantum well barrier layer. In one example, when the waveguide superstructure 20 is configured as a passive MQW waveguide layer, a green laser diode with an emission wavelength of 530 nm ensures that the absorption edge of the passive QW is sufficiently close to the oscillation wavelength, ie, the difference is about 20 The passive MQW waveguide layer is configured to have an emission wavelength of about 510 nm so that it is ˜60 nm. In many embodiments, it may be preferable to ensure that this wavelength difference is 10 nm or more to prevent suppression of optical gain by the passive MQW waveguide layer. When the oscillation wavelength λ C is between approximately 500 nm and approximately 540 nm, it is considered that the absorption edge wavelength λ W may be between approximately 430 nm and approximately 530 nm.

本開示による導波路超構造20は、複数のInyGa1-yN光閉じ込め井戸22と、歪補償構造を画成する介在するAlxInzGa1-x-zN歪補償バリア24とを含むものと意図されており、式中、xおよびzは、おおよそ0.02≦x≦0.40および0≦z≦0.10の関係となる。一般的な場合yの値は、おおよそ0.05≦y≦0.35の関係となるが、歪補償が100%に近い構造に対しては、すなわち歪補償バリア内のAl濃度xが比較的高いときには、十分に高い平均屈折率を維持するために、おおよそ0.15≦y≦0.35の関係となることが好ましい。特定の実施形態において、xはおおよそ0.05≦x≦0.20の関係となり、かつzはおおよそ0<z≦0.10の関係となる。1以上の光閉じ込め井戸内において、Inモル濃度は一定でない可能性があることも意図されている。この場合には、各光閉じ込め井戸に対し、yはこの光閉じ込め井戸内の平均のInモル濃度を称する。さらに、1以上の歪補償バリア内において、Inモル濃度およびAlモル濃度が一定でない可能性があることも意図されている。この場合には、各歪補償バリアに対し、xはこの歪補償バリア内の平均のAlモル濃度を称し、そしてzはこの歪補償バリア内の平均のInモル濃度を称する。さらに導波路超構造内において、光閉じ込め井戸のInモル濃度yは異なっていてもよいし、同時に歪補償バリアのAlモル濃度xおよびInモル濃度yが異なっていてもよいことも意図されている。 A waveguide superstructure 20 according to the present disclosure includes a plurality of In y Ga 1 -y N optical confinement wells 22 and an intervening Al x In z Ga 1 -xz N strain compensation barrier 24 defining a strain compensation structure. In the formula, x and z are approximately in a relationship of 0.02 ≦ x ≦ 0.40 and 0 ≦ z ≦ 0.10. In general cases, the value of y is approximately 0.05 ≦ y ≦ 0.35, but for a structure in which strain compensation is close to 100%, that is, the Al concentration x in the strain compensation barrier is relatively low. When it is high, in order to maintain a sufficiently high average refractive index, it is preferable that the relationship is approximately 0.15 ≦ y ≦ 0.35. In certain embodiments, x is approximately 0.05 ≦ x ≦ 0.20 and z is approximately 0 <z ≦ 0.10. It is also contemplated that the In molar concentration may not be constant within one or more optical confinement wells. In this case, for each optical confinement well, y refers to the average In molar concentration in the optical confinement well. It is further contemplated that the In molar concentration and Al molar concentration may not be constant within one or more strain compensation barriers. In this case, for each strain compensation barrier, x refers to the average Al molar concentration within the strain compensation barrier and z refers to the average In molar concentration within the strain compensation barrier. Furthermore, it is also contemplated that in the waveguide superstructure, the In molar concentration y of the optical confinement well may be different, and at the same time the Al molar concentration x and In molar concentration y of the strain compensation barrier may be different. .

本発明者らは、InGaNとは異なり、Al(In)GaNの屈折率はAl濃度とともに略線形的に減少することを認識していた。これは、上記組成範囲におけるAl(In)GaNの吸収端が励起光子エネルギーからかけ離れているためである。同時に、指定範囲におけるInGaNの屈折率は、InGaNが励起光子エネルギーにより近いより低いバンドギャップを有しているため、In濃度とともに超線形的に増加する。さらに、Al(In)GaNにおける引張歪みはAl濃度とともに線形的に増加し、一方InGaN井戸の圧縮歪みはIn含有量とともに同様に線形的に増加する。従って、介在するAl(In)GaN歪補償バリア24は、光閉じ込め井戸22により誘導される歪みを補償するのに十分なAlを含むように容易に設計することができ、すなわちミスフィット転位の形成が抑制され、それでも光閉じ込め井戸によって、平均の屈折率は強く減少することはなくGaNの屈折率よりも高いままとなる。Al(In)GaN歪補償バリア24内のIn濃度がゼロではない場合、AlおよびInの濃度の組合せは引張歪みを与えるように選択されるべきである。   The present inventors have recognized that unlike InGaN, the refractive index of Al (In) GaN decreases approximately linearly with the Al concentration. This is because the absorption edge of Al (In) GaN in the composition range is far from the excitation photon energy. At the same time, the refractive index of InGaN in the specified range increases superlinearly with the In concentration because InGaN has a lower bandgap that is closer to the excitation photon energy. Furthermore, the tensile strain in Al (In) GaN increases linearly with Al concentration, while the compressive strain of InGaN wells increases linearly with In content as well. Thus, the intervening Al (In) GaN strain compensation barrier 24 can be easily designed to contain enough Al to compensate for the strain induced by the optical confinement well 22, ie, the formation of misfit dislocations. However, due to the optical confinement well, the average refractive index does not decrease strongly and remains higher than that of GaN. If the In concentration in the Al (In) GaN strain compensation barrier 24 is not zero, the combination of Al and In concentrations should be selected to provide tensile strain.

例えば、緑色レーザ発光すなわち530nmでは、Al(In)GaNの屈折率のAl濃度に伴う減少は小さい。そのため、Al(In)GaN歪補償バリア24は歪補償を実現するが、活性領域15および導波路超構造20により形成される導波路コアの平均屈折率を強く減少させることはない。典型的にはGaN/Al(In)GaN構造はn型GaNよりも低い屈折率を有することになると期待されていたため、本発明者らはこの手法が直観に反することを見出した。実際、引張歪みのあるAlxInzGa1-x-zNの屈折率はGaN基板10や上方および下方クラッド層30よりも低いが、InGaN光閉じ込め井戸の吸収端が発振波長に十分に近いとき、導波路超構造20の平均屈折率はGaN基板10や上方および下方クラッド層30よりも著しく高いことを本発明者らは認識していた。 For example, in green laser emission, that is, 530 nm, the decrease in Al (In) GaN refractive index with Al concentration is small. Therefore, the Al (In) GaN strain compensation barrier 24 realizes strain compensation, but does not strongly decrease the average refractive index of the waveguide core formed by the active region 15 and the waveguide superstructure 20. Since the GaN / Al (In) GaN structure was typically expected to have a lower refractive index than n-type GaN, the present inventors have found that this approach is counterintuitive. In fact, the refractive index of tensile strained Al x In z Ga 1-xz N is lower than that of the GaN substrate 10 and the upper and lower cladding layers 30, but when the absorption edge of the InGaN optical confinement well is sufficiently close to the oscillation wavelength, The inventors have recognized that the average refractive index of the waveguide superstructure 20 is significantly higher than that of the GaN substrate 10 and the upper and lower cladding layers 30.

本開示のいくつかの実施形態において、主要な緩和機構はc軸に沿った緩和を助けることに留意されたい。ただし、c軸におけるAlN/GaN格子の不整合は3.9%であり、これはa軸またはm軸(2.4%)におけるものよりも高い。従って、c方向における歪補償は、本開示の実施形態に対して効果的である。結果として、本開示によるAl(In)GaN歪補償バリアを組み込んだ導波路超構造を使用すると、大きな総屈折率対比を提供し、かつ少なくとも射影c方向において圧縮歪みを部分的または完全に補償する、導波路領域の成長が可能になる。例えば、厚さ2.5nm、In濃度25%のInGaN光閉じ込め井戸のc軸の方向における歪みを完全に補償するために、Al濃度がおよそ10%の17nmのAlGaNバリア層を使用してもよい。あるいは、バリア層内のAl濃度がより少ない場合には、厚さをより大きくしたものが必要になるであろう。   It should be noted that in some embodiments of the present disclosure, the primary relaxation mechanism helps relaxation along the c-axis. However, the AlN / GaN lattice mismatch at the c-axis is 3.9%, which is higher than that at the a-axis or m-axis (2.4%). Accordingly, distortion compensation in the c direction is effective for the embodiments of the present disclosure. As a result, using a waveguide superstructure incorporating an Al (In) GaN strain compensation barrier according to the present disclosure provides a large total refractive index contrast and at least partially or fully compensates for compressive strain in the projected c-direction. The waveguide region can be grown. For example, a 17 nm AlGaN barrier layer with an Al concentration of approximately 10% may be used to fully compensate for strain in the c-axis direction of an InGaN optical confinement well with a thickness of 2.5 nm and an In concentration of 25%. . Alternatively, if the Al concentration in the barrier layer is lower, a thicker one will be required.

多くの実施形態において、本開示による導波路超構造の厚さが確実におよそ70nmを超えるようにすることは難しくないであろう。多くの実施形態において、好適な井戸の厚さaはおよそ2nmからおよそ5nmの間であり、かつおよそ60nmを超えるべきではない。コアの厚さが過剰になると光閉じ込めの低下に繋がり得るため、バリア層の厚さは導波路コアの所望の厚さにより制限される。導波路コアの典型的な厚さは、コアの活性領域の上下およそ70〜300nmである。従って、本開示のいくつかの実施形態において、導波路超構造内の歪補償バリア全ての合計厚さは、300nmを超えるべきではない。   In many embodiments, it will not be difficult to ensure that the thickness of the waveguide superstructure according to the present disclosure exceeds approximately 70 nm. In many embodiments, a suitable well thickness a is between about 2 nm and about 5 nm and should not exceed about 60 nm. The thickness of the barrier layer is limited by the desired thickness of the waveguide core, since excessive core thickness can lead to reduced optical confinement. The typical thickness of the waveguide core is approximately 70-300 nm above and below the active region of the core. Thus, in some embodiments of the present disclosure, the total thickness of all strain compensation barriers in the waveguide superstructure should not exceed 300 nm.

本開示の一実施の形態において、歪補償の割合は割合θによって特徴づけることができ、このときθ>0でありかつθ=1は完全な歪補償を表し、これは典型的には好ましい。光閉じ込め井戸22および介在する歪補償バリア24夫々の厚さa、bは、以下の関係を満たす。   In one embodiment of the present disclosure, the rate of distortion compensation can be characterized by the ratio θ, where θ> 0 and θ = 1 represents complete distortion compensation, which is typically preferred. The thicknesses a and b of the optical confinement well 22 and the intervening strain compensation barrier 24 satisfy the following relationship.

(0.1y)η≒θ(0.039x+0.1z)(1−η)
式中、yは全光閉じ込め井戸に亘って平均されたものであり、xおよびzは全歪補償バリアに亘って平均されたものであり、ηは導波路超構造20内のInyGa1-yN閉じ込め井戸のデューティサイクルであり、かつa/b=η/(1−η)である。AlxInzGa1-x-zN歪補償バリアは、InyGa1-yN光閉じ込め井戸により提供される圧縮歪みの大部分を補償するのに十分な引張歪みを提供するよう容易に構成できると考えられている。図2は、本開示の特定の実施形態による導波路領域の種々のInGaNのデューティサイクルに対する、AlおよびInの濃度間の関係を示したものである。適切なデューティサイクルは、およそ5%からおよそ50%までの範囲であると考えられている。非周期的な構造の場合、歪補償の係数θは、光閉じ込め井戸22および介在する歪補償バリア24夫々の合計の厚さa、bを用いて計算することができる。
(0.1y) η≈θ (0.039x + 0.1z) (1−η)
Where y is averaged over the all-optical confinement well, x and z are averaged over the total strain compensation barrier, and η is In y Ga 1 in the waveguide superstructure 20. -y N duty cycle of the confinement well and a / b = η / (1-η). The Al x In z Ga 1 -xz N strain compensation barrier can be easily configured to provide sufficient tensile strain to compensate for most of the compressive strain provided by the In y Ga 1 -y N optical confinement well. It is believed that. FIG. 2 illustrates the relationship between Al and In concentrations for various InGaN duty cycles in a waveguide region according to certain embodiments of the present disclosure. A suitable duty cycle is considered to range from approximately 5% to approximately 50%. In the case of an aperiodic structure, the strain compensation coefficient θ can be calculated using the total thicknesses a and b of the optical confinement well 22 and the intervening strain compensation barrier 24.

InGaNの屈折率をIn濃度yとともに著しく超線形に増加させるために、InGaN光閉じ込め井戸内で十分に高いIn濃度を用いることが好ましい。所望の歪補償係数θと、GaN基板の屈折率よりも著しく高い平均屈折率とを有する導波路超構造を得るために、光閉じ込め井戸内のIn濃度yはおおよそ0.15θ≦y≦0.35であることが好ましいと考えられる。そうすることにより、本開示の概念をこのように実行すると、所望の歪補償係数θを得るのに必要なAl濃度xを使用すると同時に、光閉じ込め井戸の吸収端を発振波長に十分近いまま維持して、十分に高い平均屈折率を得ることが都合良いことが分かる。   In order to increase the refractive index of InGaN extremely linearly with the In concentration y, it is preferable to use a sufficiently high In concentration in the InGaN optical confinement well. In order to obtain a waveguide superstructure having a desired strain compensation coefficient θ and an average refractive index significantly higher than the refractive index of the GaN substrate, the In concentration y in the optical confinement well is approximately 0.15θ ≦ y ≦ 0. 35 is considered preferable. By doing so, the concept of the present disclosure is implemented in this way, while using the Al concentration x necessary to obtain the desired distortion compensation coefficient θ, while keeping the absorption edge of the optical confinement well sufficiently close to the oscillation wavelength. Thus, it is convenient to obtain a sufficiently high average refractive index.

図1に示した実施形態では、レーザダイオード100の導波路領域は、活性領域15の各側に少なくとも1つの導波路超構造20を含んでいる。しかしながら、本開示によるレーザダイオード構造は、単に導波路超構造20をレーザダイオード構造のn側にのみ備えたものでもよく、一方p側の導波路は、従来のInGaNまたはGaN導波路層、または代替の今後開発される導波路層を含み得ると考えられる。好適にはp側導波路層は、その厚さおよびIn濃度が緩和を防ぐことができるほど小さなものとなるようさらに調整される。すなわち、活性領域と導波路層とから成る導波路コアは非対称で、光モードをn側にシフトさせるものでもよい。この非対称の構成の利点は、p型材料へのモードの透過が少なくなって、光損失が低減されることである。   In the embodiment shown in FIG. 1, the waveguide region of the laser diode 100 includes at least one waveguide superstructure 20 on each side of the active region 15. However, the laser diode structure according to the present disclosure may simply comprise the waveguide superstructure 20 only on the n-side of the laser diode structure, while the p-side waveguide may be a conventional InGaN or GaN waveguide layer, or an alternative It is believed that future waveguide layers may be included. Preferably, the p-side waveguide layer is further adjusted so that its thickness and In concentration are small enough to prevent relaxation. In other words, the waveguide core composed of the active region and the waveguide layer may be asymmetric and shift the optical mode to the n side. The advantage of this asymmetric configuration is that there is less mode transmission through the p-type material and light loss is reduced.

レーザダイオード100の導波路領域が活性領域15の各側に少なくとも1つの導波路超構造20を含む実施形態を考慮すると、導波路領域は典型的には活性領域15の両側に配置されたpドープ導波路超構造およびnドープ導波路超構造20を含み、かつクラッド領域は典型的には、活性領域15の両側に配置されたpドープ層およびnドープ層30を含む。この場合、活性領域15は、レーザダイオード100のpドープ側とnドープ側との間に配置されると言える。レーザダイオードのnドープ側の光閉じ込め井戸22間に介在する歪補償バリア24はnドープされ、またレーザダイオードのpドープ側の光閉じ込め井戸22間に介在する歪補償バリア24はpドープされる。レーザダイオードのnドープ側およびpドープ側の各層に関する前述の条件は主に導波路超構造が活性領域の各側に提供される実施形態に関するものであること、そして本開示の多くの実施形態は活性領域の両側に歪みバランス導波路超構造を必要とするものではないことに留意されたい。   Considering embodiments in which the waveguide region of the laser diode 100 includes at least one waveguide superstructure 20 on each side of the active region 15, the waveguide region is typically p-doped disposed on both sides of the active region 15. The waveguide superstructure and the n-doped waveguide superstructure 20, and the cladding region typically includes a p-doped layer and an n-doped layer 30 disposed on either side of the active region 15. In this case, it can be said that the active region 15 is disposed between the p-doped side and the n-doped side of the laser diode 100. The strain compensation barrier 24 interposed between the optical confinement wells 22 on the n-doped side of the laser diode is n-doped, and the strain compensation barrier 24 interposed between the optical confinement wells 22 on the p-doped side of the laser diode is p-doped. The foregoing conditions for the layers on the n-doped side and the p-doped side of the laser diode mainly relate to the embodiment in which the waveguide superstructure is provided on each side of the active region, and many embodiments of the present disclosure Note that no strain-balanced waveguide superstructure is required on either side of the active region.

本開示によるレーザダイオードは、発振波長λCでの光閉じ込めを向上させるよう構成された、バルクInGaN層またはInGaN/GaN超格子の形の、1以上の追加の光閉じ込め層を備え得ると意図されている。導波路超構造20は、活性領域15と、例えばバルクInGaN層またはInGaN/GaN超格子などの追加の閉じ込め層との間に挟み込んでもよい。バルクInGaN層またはInGaN/GaN超格子の夫々の厚さは、レーザダイオード内の歪み誘起緩和を防ぐことができるほど薄いものとするべきである。上述したように、レーザダイオード100には活性領域15の上に電子ブロック層を設けることがさらに好ましいであろう。電子ブロック層は、活性領域内、または活性領域と導波路超構造を含み得る導波路層との間に置いてもよい。例えば、限定するものではないが、電子ブロック層を米国特許出願公開第2010/0150193(A1)号明細書の教示に従って構成してもよい。レーザダイオード100は、活性領域15と導波路超構造20を含み得るn側導波路層との間に、ホールブロック層を備えてもよい。これらの電子ブロック層およびホールブロック層は、活性領域における量子井戸間のバリアのバンドギャップよりも幅広のバンドギャップを有する、AlGaNまたはAlInGaNを好適には含むであろう。電子ブロック層およびホールブロック層はAlを含むであろうことから、これらは歪補償にも貢献することになる。活性領域と全てのp側InGaN層との間に電子ブロック層を置くと同時に、活性領域と全てのn側InGaN層との間にホールブロック層を置くことが好ましいであろう。 It is contemplated that a laser diode according to the present disclosure may comprise one or more additional optical confinement layers in the form of a bulk InGaN layer or InGaN / GaN superlattice configured to improve optical confinement at the oscillation wavelength λ C. ing. The waveguide superstructure 20 may be sandwiched between the active region 15 and an additional confinement layer such as a bulk InGaN layer or an InGaN / GaN superlattice. The thickness of each of the bulk InGaN layer or InGaN / GaN superlattice should be thin enough to prevent strain-induced relaxation in the laser diode. As described above, it may be more preferable that the laser diode 100 is provided with an electron blocking layer on the active region 15. The electron blocking layer may be placed in the active region or between the active region and a waveguide layer that may include a waveguide superstructure. For example, but not limited to, the electronic blocking layer may be constructed in accordance with the teachings of US Patent Application Publication No. 2010/0150193 (A1). The laser diode 100 may include a hole blocking layer between the active region 15 and the n-side waveguide layer that may include the waveguide superstructure 20. These electron blocking and hole blocking layers will preferably comprise AlGaN or AlInGaN having a wider band gap than the barrier band gap between the quantum wells in the active region. Since the electron block layer and hole block layer will contain Al, they will also contribute to distortion compensation. It may be preferable to place an electron blocking layer between the active region and all p-side InGaN layers, while simultaneously placing a hole blocking layer between the active region and all n-side InGaN layers.

説明のためであって限定するものではないが、本開示の概念によるいくつかの実施例が既に意図されている。   For purposes of illustration and not limitation, several embodiments according to the concepts of the present disclosure are already contemplated.

以下の層を備えているレーザダイオード構造(底部から上部へ)
−n−GaNバッファ層およびクラッド層
−8〜12周期の受動多重量子井戸であって、このとき2〜5nmの受動QWが10nmのAlInGaNまたはAlGaNバリアで分離され(AlGaNに対し、Al濃度は5%〜15%であるべき)、受動量子井戸はその発光波長が発振波長より10〜40nm短くなるように構成される。
Laser diode structure with the following layers (from bottom to top)
-N-GaN buffer layer and cladding layer-Passive multiple quantum well with 8-12 periods, wherein 2-5 nm passive QW is separated by 10 nm AlInGaN or AlGaN barrier (AlGaN has an Al concentration of 5 The passive quantum well is configured such that its emission wavelength is 10 to 40 nm shorter than the oscillation wavelength.

−緑色スペクトル領域(500〜540nm)で光学利得を提供するよう構成された、2または3周期のInGaN活性量子井戸
−AlInGaN電子ブロック層、および、
−厚さ600〜1200nmのp側GaNクラッド層
Two or three periods of InGaN active quantum wells configured to provide optical gain in the green spectral region (500-540 nm), an AlInGaN electron blocking layer, and
A p-side GaN cladding layer having a thickness of 600 to 1200 nm

AlInGaNクラッド層を少なくともn側クラッド層において使用することを除き、実施例1に類似したもの。このAlInGaN層格子は1つの面内方向(典型的にはc軸に向かう方向)において一致し、かつこのAlInGaN層格子の別の方向での歪みは十分に低く、緩和が回避される。p側クラッド層は、AlInGaNまたはAlGaNの層を含み得る。各クラッド層は、AlGaN層、GaN層、InGaN層、またはAlInGaN層の、組合せから作製したものでもよい。この構造は、歪補償された受動QWに加え、バルクInGaN層またはInGaN/GaN超格子を導波路コア内にさらに備えて、光閉じ込めをさらに向上させてもよい。歪補償された受動QWが存在していると光閉じ込めが強化され、そのためもはやこのバルク層または超格子のIn濃度を高くしたりあるいはバルク層または超格子の厚さを厚くしたりする必要はなく、緩和を回避することができるほどにこれらを薄くすることができる。また、受動量子井戸の屈折率が高いため、いくつかの設計では受動量子井戸を活性領域とこの追加の層との間に位置付けることが好ましい。   Similar to Example 1 except that an AlInGaN cladding layer is used at least in the n-side cladding layer. The AlInGaN layer lattice coincides in one in-plane direction (typically in the direction towards the c-axis), and the strain in the other direction of the AlInGaN layer lattice is sufficiently low to avoid relaxation. The p-side cladding layer may include an AlInGaN or AlGaN layer. Each cladding layer may be made from a combination of an AlGaN layer, a GaN layer, an InGaN layer, or an AlInGaN layer. This structure may further include a bulk InGaN layer or InGaN / GaN superlattice in the waveguide core in addition to the strain compensated passive QW to further improve optical confinement. In the presence of a strain compensated passive QW, optical confinement is enhanced so that it is no longer necessary to increase the In concentration of the bulk layer or superlattice or increase the thickness of the bulk layer or superlattice. These can be made so thin that relaxation can be avoided. Also, because of the high refractive index of passive quantum wells, in some designs it is preferable to position the passive quantum well between the active region and this additional layer.

2つの受動井戸を備えており、これらの下に5nmのn−AlInGaNバリアを含み、かつこれらの上に17nmのn−AlInGaNバリアを含んだ、レーザダイオード構造。この2つの受動QWは、17nm厚のAlInGaNバリア層で分離される。この構造は、ホールブロック層と、平均In濃度が3%〜6%のn−InGaN/GaN超格子との間に置かれる。このn−超格子の厚さは114nmであり、これは(20〜21)基板配向に対し緩和限界未満である。n−AlInGaNクラッド層、またはAlInGaN/GaN層の組合せが、n−InGaN/GaN超格子層の下に置かれる。この構造はさらに、厚さ90nmのp−InGaN/GaN超格子を含んでいる。p型の、GaN、AlGaN、AlInGaN、または組み合わせたクラッド層を、実施例1および2と同様に成長させてもよい。この構造は、活性領域とクラッド層との間に電子ブロック層をさらに備えるべきである。   Laser diode structure comprising two passive wells, including a 5 nm n-AlInGaN barrier below them and a 17 nm n-AlInGaN barrier above them. The two passive QWs are separated by a 17 nm thick AlInGaN barrier layer. This structure is placed between the hole blocking layer and an n-InGaN / GaN superlattice with an average In concentration of 3% to 6%. The thickness of this n-superlattice is 114 nm, which is below the relaxation limit for (20-21) substrate orientation. An n-AlInGaN cladding layer or a combination of AlInGaN / GaN layers is placed under the n-InGaN / GaN superlattice layer. The structure further includes a 90 nm thick p-InGaN / GaN superlattice. A p-type GaN, AlGaN, AlInGaN, or combination cladding layer may be grown as in Examples 1 and 2. This structure should further comprise an electron blocking layer between the active region and the cladding layer.

3以上の受動量子井戸が存在していることを除き、これまでの実施例に類似したレーザダイオード構造。この場合、受動量子井戸はAlInGaNバリアにより分離される。受動QWによってより多くの光閉じ込めが提供されるため、n型InGaN超格子層は、より薄くてもよい。   Laser diode structure similar to previous examples, except that there are more than two passive quantum wells. In this case, the passive quantum well is separated by an AlInGaN barrier. As passive QW provides more optical confinement, the n-type InGaN superlattice layer may be thinner.

1つの受動QWを備えたレーザダイオード構造。この設計は、受動量子井戸が1つのみ存在していること、およびInGaN超格子が若干より厚いこと(120nm)を除き、実施例3に類似したものである。   Laser diode structure with one passive QW. This design is similar to Example 3 except that there is only one passive quantum well and the InGaN superlattice is slightly thicker (120 nm).

本書において、本開示の構成要素が特定の性質を具現化するように、あるいは特定の手法において機能するように「構成される」という記述は、目的用途の記述ではなく構造的記述であることに留意されたい。より具体的には、ある構成要素が「構成された」様態を本書において参照した場合、これはその構成要素の現存の物理的条件を示したものであり、したがってその構成要素の構造的特徴の明確な記述と理解されるべきである。   In this document, a statement that “configured” so that the components of the present disclosure embody a specific property or function in a specific manner is not a description of the intended use, but a structural description. Please keep in mind. More specifically, when a component is referred to in this document as being “configured”, this is an indication of the existing physical condition of the component, and thus the structural characteristics of the component. It should be understood as a clear description.

本書において「好適」、「通常」、および「典型的」というような用語が使用されているとき、これらの用語は請求される発明の範囲を制限するために用いられるものではないこと、あるいは特定の特徴が請求される発明の構造または機能に対して、重大、不可欠、または重要であることすら意味するために用いられるものではないことに留意されたい。むしろ、これらの用語は単に本開示の実施形態の特定の態様を識別するため、あるいは本開示の特定の実施形態において利用し得るまたは利用し得ない代替または追加の特徴を強調するためのものである。   When terms such as "preferred", "normal", and "typical" are used in this document, these terms are not intended to be used to limit the scope of the claimed invention or are It should be noted that these features are not used to imply that they are critical, essential, or even important to the structure or function of the claimed invention. Rather, these terms are merely to identify particular aspects of the embodiments of the present disclosure or to highlight alternative or additional features that may or may not be utilized in certain embodiments of the present disclosure. is there.

本発明を説明および画成するために、「およそ」という用語は、任意の定量比較、値、測定値、または他の表現に起因し得る、固有の不確実さの度合いを表すために本書において用いられていることに留意されたい。さらに「実質的に」という用語は、論じている主題の基本的機能に変化をもたらすことなく、定量的表現が記載した基準から変動し得る度合いを表すために本書において用いられる。   For purposes of describing and defining the present invention, the term “approximately” is used herein to describe the degree of inherent uncertainty that may result from any quantitative comparison, value, measurement, or other representation. Note that it is used. Furthermore, the term “substantially” is used herein to describe the degree to which a quantitative expression can vary from the stated criteria without causing a change in the basic function of the subject matter being discussed.

本開示の主題を詳細にかつその特定の実施形態を参照して説明してきたが、添付の請求項において画成される本発明の範囲から逸脱することなく、改変および変形が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本開示のいくつかの態様は好適または特に有利であるものとして本書において識別されているが、本開示は必ずしもこれらの態様に限定されるものではないと意図されている。例えば、導波路超構造20を主に参照して本発明を説明しているが、導波路超構造20は受動MQW導波路層として構成し得ると意図されている。この場合、光閉じ込め井戸22はナノメートルスケールの量子井戸を含むことになり、かつ歪補償バリア24は量子井戸バリア層を含むことになる。典型的には、受動MWQ構造内の量子井戸層は10nm厚より薄くなる。   Although the subject matter of the present disclosure has been described in detail and with reference to specific embodiments thereof, it is possible to make modifications and variations without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims. It will be clear. More specifically, although some aspects of the present disclosure have been identified herein as being preferred or particularly advantageous, it is intended that the present disclosure is not necessarily limited to these aspects. For example, while the present invention has been described primarily with reference to waveguide superstructure 20, it is contemplated that waveguide superstructure 20 may be configured as a passive MQW waveguide layer. In this case, the optical confinement well 22 will include a nanometer-scale quantum well, and the strain compensation barrier 24 will include a quantum well barrier layer. Typically, quantum well layers in passive MWQ structures are thinner than 10 nm.

1以上の以下の請求項は「ここで(wherein)」という用語を移行句として使用していることに留意されたい。本発明を画成するために、この用語は構造の一連の特徴に関する記述を導入するために使用される、オープンエンドの移行句として請求項に導入され、より一般に使用されるオープンエンドの前文の用語「備えている」と同様に解釈されるべきであることに留意されたい。   Note that one or more of the following claims uses the term “wherein” as a transitional phrase. To define the present invention, this term is introduced in the claims as an open-ended transition phrase, used to introduce a description of a set of features of the structure, and is a more commonly used open-ended preamble. Note that this should be interpreted in the same way as the term “comprising”.

10 半極性GaN基板
15 活性領域
20 導波路超構造
22 光閉じ込め井戸
24 歪補償バリア
30 クラッド領域
40 コンタクト層
100 レーザダイオード
10 Semipolar GaN substrate 15 Active region 20 Waveguide superstructure 22 Optical confinement well 24 Strain compensation barrier 30 Clad region 40 Contact layer 100 Laser diode

Claims (11)

半極性GaN基板と、活性領域と、導波路領域と、さらに上方および下方クラッド領域とを備えているレーザダイオードにおいて、
前記半極性GaN基板が、半極性結晶成長面に沿って切断されたものであり、
前記活性領域が、電気的に励起された光子を発振波長λCで誘導放出するよう構成されたものであり、
前記導波路領域が、少なくとも1つの導波路超構造を含み、
前記導波路超構造が、井戸厚さaの複数のInyGa1-yN光閉じ込め井戸と、歪補償構造を画成するバリア層厚bの複数の介在するAlxInzGa1-x-zN歪補償バリアとを備え、式中、x、y、およびzは、おおよそ、0.02≦x≦0.40、0.05≦y≦0.35、および0≦z≦0.10の関係となり、
前記介在する歪補償バリアが、前記光閉じ込め井戸により導入される歪みを補償するのに十分なAlを含み、
前記InyGa1-yN光閉じ込め井戸が圧縮歪みを与え、かつ前記AlxInzGa1-x-zN歪補償バリアが、前記InyGa1-yN光閉じ込め井戸により与えられた前記圧縮歪みの大部分を補償するのに十分な引張歪みを与え、
前記導波路領域が前記活性領域からの前記光子の誘導放出を導きかつ前記クラッド領域が該導波路領域内での該放出された光子の伝播を促進するように、前記活性領域と、前記導波路領域と、前記上方および下方クラッド領域との夫々が、前記半極性GaN基板の前記半極性結晶成長面上に多重層のレーザダイオードとして形成され、さらに、
ここで(a)前記導波路超構造が受動MQW導波路層として構成される、(b)前記光閉じ込め井戸が量子井戸を含む、および(c)前記歪補償バリアが量子井戸バリア層を含む、のうちの少なくとも1つであることを特徴とするレーザダイオード。
In a laser diode comprising a semipolar GaN substrate, an active region, a waveguide region, and further upper and lower cladding regions,
The semipolar GaN substrate is cut along a semipolar crystal growth surface,
The active region is configured to stimulate and emit electrically excited photons at an oscillation wavelength λ C ;
The waveguide region comprises at least one waveguide superstructure;
The waveguide superstructure includes a plurality of In y Ga 1 -y N optical confinement wells having a well thickness a and a plurality of intervening Al x In z Ga 1 -xz having a barrier layer thickness b defining a strain compensation structure. An N strain compensation barrier, wherein x, y, and z are approximately 0.02 ≦ x ≦ 0.40, 0.05 ≦ y ≦ 0.35, and 0 ≦ z ≦ 0.10. Relationship
The intervening strain compensation barrier comprises sufficient Al to compensate for strain introduced by the optical confinement well;
Said In y Ga 1-y N light confining wells giving a compressive strain, and the Al x In z Ga 1-xz N distortion compensation barrier, the In y Ga 1-y the compression provided by the N optical confinement wells Give enough tensile strain to compensate for most of the strain,
The active region and the waveguide, such that the waveguide region directs stimulated emission of the photons from the active region and the cladding region facilitates propagation of the emitted photons within the waveguide region. A region and each of the upper and lower cladding regions is formed as a multi-layer laser diode on the semipolar crystal growth surface of the semipolar GaN substrate;
Where (a) the waveguide superstructure is configured as a passive MQW waveguide layer, (b) the optical confinement well includes a quantum well, and (c) the strain compensation barrier includes a quantum well barrier layer, A laser diode characterized by being at least one of the above.
前記介在する歪補償バリアが、前記光閉じ込め井戸により導入される歪みを歪補償割合θまで補償するのに十分なAlを含み、このときθ>0でありかつθ=1は完全な歪補償を表し、
前記光閉じ込め井戸および前記介在する歪補償バリアの夫々の厚さa、bは、関係、
(0.1y)η≒θ(0.039x+0.1z)(1−η)
を満たし、このときx、y、およびzは前記導波路超構造に亘って平均されたものであり、ηは周期的または非周期的なInyGa1-yN閉じ込め井戸のデューティサイクルまたは前記導波路超構造内の平均デューティサイクルであり、かつ、a/b=η/(1−η)であることを特徴とする請求項1記載のレーザダイオード。
The intervening strain compensation barrier includes sufficient Al to compensate the strain introduced by the optical confinement well to a strain compensation ratio θ, where θ> 0 and θ = 1 provides complete strain compensation. Represent,
The thicknesses a and b of the optical confinement well and the intervening strain compensation barrier are related,
(0.1y) η≈θ (0.039x + 0.1z) (1−η)
Where x, y, and z are averaged over the waveguide superstructure, and η is the duty cycle of the periodic or aperiodic In y Ga 1-y N confinement well or the 2. The laser diode according to claim 1, wherein the laser diode has an average duty cycle in the waveguide superstructure and a / b = [eta] / (1- [eta]).
前記導波路超構造が、おおよそ、10nm≦(λC−λW)≦60nmの関係、または10nm≦(λC−λW)≦40nmの関係となる、吸収端波長λWにより特徴付けられるものである、
前記導波路超構造の平均屈折率が、前記GaN基板、および前記上方および下方クラッド領域よりも高いものである、または、
前記導波路超構造が、合計でおよそ300nm未満の厚さを画成する複数のAlxInzGa1-x-zN歪補償バリアを含むものである、
のうちの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1記載のレーザダイオード。
The waveguide superstructure is characterized by an absorption edge wavelength λ W having a relationship of approximately 10 nm ≦ (λ C −λ W ) ≦ 60 nm or a relationship of 10 nm ≦ (λ C −λ W ) ≦ 40 nm Is,
The average refractive index of the waveguide superstructure is higher than the GaN substrate and the upper and lower cladding regions, or
The waveguide superstructure includes a plurality of Al x In z Ga 1-xz N strain compensation barriers that collectively define a thickness of less than about 300 nm;
The laser diode according to claim 1, wherein the laser diode is at least one of the following.
前記井戸厚さaがおよそ2nmからおよそ5nmの間である、
前記井戸厚さaがおよそ60nmを超えないものである、
少なくとも1つの歪補償バリアに対し、xがおおよそ0.05≦x≦0.20の関係となる、または、
少なくとも1つの歪補償バリアに対し、zがおおよそ0<z≦0.10の関係となる、
のうちの少なくとも1つであることを特徴とする請求項1記載のレーザダイオード。
The well thickness a is between about 2 nm and about 5 nm;
The well thickness a does not exceed about 60 nm,
For at least one strain compensation barrier, x is approximately 0.05 ≦ x ≦ 0.20, or
Z is approximately 0 <z ≦ 0.10 for at least one strain compensation barrier;
The laser diode according to claim 1, wherein the laser diode is at least one of the following.
前記介在する歪補償バリアが、歪補償割合θが0.9超または0.5超となるよう、前記光閉じ込め井戸により導入される実質的に全ての歪みを補償するのに十分なAlを含み、かつ、
少なくとも1つの光閉じ込め井戸に対し、yがおおよそ0.15≦y≦0.35の関係となることを特徴とする請求項1記載のレーザダイオード。
The intervening strain compensation barrier contains sufficient Al to compensate for substantially all strain introduced by the optical confinement well such that the strain compensation ratio θ is greater than 0.9 or greater than 0.5. ,And,
2. The laser diode according to claim 1, wherein y is approximately 0.15 ≦ y ≦ 0.35 with respect to at least one optical confinement well.
前記レーザダイオードの前記導波路領域が、前記多重層のレーザダイオード内の前記活性領域の各側に少なくとも1つの導波路超構造を、該各導波路超構造が前記活性領域からの前記光子の誘導放出を導くように含むものであることを特徴とする請求項1記載のレーザダイオード。   The waveguide region of the laser diode has at least one waveguide superstructure on each side of the active region in the multi-layer laser diode, and each waveguide superstructure guides the photons from the active region. 2. The laser diode according to claim 1, wherein the laser diode is included so as to guide emission. 前記発振波長λCがおよそ500nmからおよそ540nmの間であり、かつ前記吸収端波長λWがおよそ430nmからおよそ530nmの間であり、さらに前記吸収端波長λWがおおよそ10nm≦(λC−λW)≦20nmの関係となることを特徴とする請求項1記載のレーザダイオード。 The oscillation wavelength λ C is between approximately 500 nm and approximately 540 nm, the absorption edge wavelength λ W is approximately between 430 nm and approximately 530 nm, and the absorption edge wavelength λ W is approximately 10 nm ≦ (λ C −λ 2. The laser diode according to claim 1, wherein a relationship of W ) ≦ 20 nm is established. 前記レーザダイオードが、前記発振波長λCの光閉じ込めを向上させるよう構成された、バルクInGaN層またはInGaN/GaN超格子の形の、1以上の追加の閉じ込め層をさらに備え、
前記バルクInGaN層またはInGaN/GaN超格子の夫々の厚さが、前記レーザダイオード内の歪み誘起緩和を防ぐことができるほど薄いものであり、さらに、
前記導波路超構造が、前記活性領域と前記追加の閉じ込め層との間に挟まれていることを特徴とする請求項1記載のレーザダイオード。
The laser diode further comprises one or more additional confinement layers in the form of a bulk InGaN layer or InGaN / GaN superlattice configured to improve optical confinement of the oscillation wavelength λ C ;
The thickness of each of the bulk InGaN layer or InGaN / GaN superlattice is thin enough to prevent strain-induced relaxation in the laser diode;
The laser diode of claim 1, wherein the waveguide superstructure is sandwiched between the active region and the additional confinement layer.
前記レーザダイオードが、前記活性領域と、レーザの光モードを前記レーザダイオードのn側にシフトさせるよう構成された前記導波路超構造とを備えている、非対称の導波路コアを含むことを特徴とする請求項1記載のレーザダイオード。   The laser diode includes an asymmetric waveguide core comprising the active region and the waveguide superstructure configured to shift the optical mode of a laser to the n-side of the laser diode; The laser diode according to claim 1. 半極性GaN基板と、活性領域と、導波路領域と、さらに上方および下方クラッド領域とを備えているレーザダイオードにおいて、ここで、
前記半極性GaN基板が、半極性結晶成長面に沿って切断されたものであり、
前記活性領域が、電気的に励起された光子を発振波長λCで誘導放出するよう構成されたものであり、
前記導波路領域が、少なくとも1つの導波路超構造を含み、
前記導波路超構造が、井戸厚さaの1以上のInyGa1-yN光閉じ込め井戸と、歪補償構造を画成するバリア層厚bの1以上の介在するAlxInzGa1-x-zN歪補償バリアとを備え、このときx、y、およびzは、おおよそ、0.02≦x≦0.40、0.05≦y≦0.35、および0≦z≦0.10の関係となり、
前記介在する歪補償バリアが、前記光閉じ込め井戸により導入される歪みの大部分を歪補償割合θまで補償するのに十分なAlを含み、このときθ>0でありかつθ=1は完全な歪補償を表し、
前記光閉じ込め井戸および前記介在する歪補償バリアの夫々の厚さa、bは、関係、
(0.1y)η≒θ(0.039x+0.1z)(1−η)
を満たし、このときx、y、およびzは前記導波路超構造に亘って平均されたものであり、ηは周期的または非周期的なInyGa1-yN閉じ込め井戸のデューティサイクルまたは前記導波路超構造内の平均デューティサイクルであり、かつ、a/b=η/(1−η)であり、さらに、
前記導波路領域が前記活性領域からの前記光子の誘導放出を導きかつ前記クラッド領域が該導波路領域内での該放出された光子の伝播を促進するように、前記活性領域と、前記導波路領域と、前記上方および下方クラッド領域との夫々が、前記半極性GaN基板の前記半極性結晶成長面上に多重層のレーザダイオードとして形成されていることを特徴とするレーザダイオード。
In a laser diode comprising a semipolar GaN substrate, an active region, a waveguide region, and further upper and lower cladding regions, where
The semipolar GaN substrate is cut along a semipolar crystal growth surface,
The active region is configured to stimulate and emit electrically excited photons at an oscillation wavelength λ C ;
The waveguide region comprises at least one waveguide superstructure;
The waveguide superstructure includes at least one In y Ga 1-y N optical confinement well having a well thickness a and one or more intervening Al x In z Ga 1 having a barrier layer thickness b defining a strain compensation structure. -xz N strain compensation barrier, where x, y, and z are approximately 0.02 ≦ x ≦ 0.40, 0.05 ≦ y ≦ 0.35, and 0 ≦ z ≦ 0.10. Relationship,
The intervening strain compensation barrier contains sufficient Al to compensate most of the strain introduced by the optical confinement well to a strain compensation ratio θ, where θ> 0 and θ = 1 is perfect Represents distortion compensation,
The thicknesses a and b of the optical confinement well and the intervening strain compensation barrier are related,
(0.1y) η≈θ (0.039x + 0.1z) (1−η)
Where x, y, and z are averaged over the waveguide superstructure, and η is the duty cycle of the periodic or aperiodic In y Ga 1-y N confinement well or the The average duty cycle in the waveguide superstructure, and a / b = η / (1-η),
The active region and the waveguide, such that the waveguide region directs stimulated emission of the photons from the active region and the cladding region facilitates propagation of the emitted photons within the waveguide region. Each of the region and the upper and lower cladding regions is formed as a multi-layer laser diode on the semipolar crystal growth surface of the semipolar GaN substrate.
半極性GaN基板と、活性領域と、導波路領域と、さらに上方および下方クラッド領域とを備えているレーザダイオードにおいて、ここで、
前記半極性GaN基板が、半極性結晶成長面に沿って切断されたものであり、
前記活性領域が、電気的に励起された光子を発振波長λCで誘導放出するよう構成されたものであり、
前記導波路領域が少なくとも1つの導波路超構造を含み、かつ前記導波路領域が、おおよそ10nm≦(λC−λW)≦20nmの関係となる、吸収端波長λWにより特徴付けられるものであり、
前記導波路超構造が受動MQW導波路層として構成され、かつ前記導波路超構造が、井戸厚さaの複数のInyGa1-yN光閉じ込め井戸と、歪補償構造を画成するバリア層厚bの介在するAlxInzGa1-x-zN歪補償バリアとを備え、このときx、y、およびzは、おおよそ、0.02≦x≦0.40、0.15≦y≦0.35、および0<z≦0.10の関係となり、
前記光閉じ込め井戸が量子井戸を含み、
前記歪補償バリアが量子井戸バリア層を含み、
前記介在する歪補償バリアが、前記光閉じ込め井戸により導入される歪みの大部分を歪補償割合θまで補償するのに十分なAlを含み、このときθ>0でありかつθ=1は完全な歪補償を表し、
前記光閉じ込め井戸および前記介在する歪補償バリアの夫々の厚さa、bは、関係、
(0.1y)η≒θ(0.039x+0.1z)(1−η)
を満たし、このときx、y、およびzは前記導波路超構造に亘って平均されたものであり、ηは前記導波路超構造内のInyGa1-yN閉じ込め井戸のデューティサイクルであり、かつ、a/b=η/(1−η)であり、
引張歪みのある前記AlxInzGa1-x-zNの屈折率が、前記GaN基板、および前記上方および下方クラッド領域よりも低いものであり、
前記導波路超構造の平均屈折率が、前記GaN基板、および前記上方および下方クラッド領域よりも高いものであり、さらに、
前記導波路領域が前記活性領域からの前記光子の誘導放出を導きかつ前記クラッド領域が該導波路領域内での該放出された光子の伝播を促進するように、前記活性領域と、前記導波路領域と、前記上方および下方クラッド領域との夫々が、前記半極性GaN基板の前記半極性結晶成長面上に多重層のレーザダイオードとして形成されていることを特徴とするレーザダイオード。
In a laser diode comprising a semipolar GaN substrate, an active region, a waveguide region, and further upper and lower cladding regions, where
The semipolar GaN substrate is cut along a semipolar crystal growth surface,
The active region is configured to stimulate and emit electrically excited photons at an oscillation wavelength λ C ;
The waveguide region includes at least one waveguide superstructure, and the waveguide region is characterized by an absorption edge wavelength λ W having a relationship of approximately 10 nm ≦ (λ C −λ W ) ≦ 20 nm. Yes,
The waveguide superstructure is configured as a passive MQW waveguide layer, and the waveguide superstructure defines a strain compensation structure and a plurality of In y Ga 1-y N optical confinement wells having a well thickness a. And an Al x In z Ga 1-xz N strain compensation barrier with a layer thickness b interposed therebetween, where x, y, and z are approximately 0.02 ≦ x ≦ 0.40 and 0.15 ≦ y ≦. 0.35 and 0 <z ≦ 0.10,
The optical confinement well comprises a quantum well;
The strain compensation barrier comprises a quantum well barrier layer;
The intervening strain compensation barrier contains sufficient Al to compensate most of the strain introduced by the optical confinement well to a strain compensation ratio θ, where θ> 0 and θ = 1 is perfect Represents distortion compensation,
The thicknesses a and b of the optical confinement well and the intervening strain compensation barrier are related,
(0.1y) η≈θ (0.039x + 0.1z) (1−η)
Where x, y, and z are averaged over the waveguide superstructure, and η is the duty cycle of the In y Ga 1-y N confinement well in the waveguide superstructure And a / b = η / (1-η),
The refractive index of the Al x In z Ga 1-xz N with tensile strain is lower than the GaN substrate and the upper and lower cladding regions;
An average refractive index of the waveguide superstructure is higher than the GaN substrate and the upper and lower cladding regions;
The active region and the waveguide, such that the waveguide region directs stimulated emission of the photons from the active region and the cladding region facilitates propagation of the emitted photons within the waveguide region. Each of the region and the upper and lower cladding regions is formed as a multi-layer laser diode on the semipolar crystal growth surface of the semipolar GaN substrate.
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